ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Уральский государственный экономический университет

ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ И ОПТИКА

Лабораторный практикум

Учебное пособие для самостоятельной работы по физике

Екатеринбург

2012 Г.

Рекомендовано к изданию научно-методическим советом

Уральского государственного экономического университета

Составители: Б.И. Бортник, Л.М. Веретенников, Г.А. Кожина,

А.В. Кожин, Е.Е. Кузнецова, Н.П. Судакова

Введение

Лабораторный практикум предназначен для организации самостоятельной работы студентов всех форм обучения специальностей «Машины и аппараты пищевых производств», «Безопасность технологических процессов и производств (в пищевой промышленности)», «Технология продуктов общественного питания» и «Технология хлеба, кондитерских и макаронных изделий», «Пищевые биотехнологии», «Товароведение и экспертиза товаров (в сфере производства и обращения непродовольственных товаров и сырья)», «Товароведение и экспертиза в сфере производства и обращения сельскохозяйственного сырья», «Товароведение и экспертиза товаров в области таможенной деятельности», «Экономика и управление на предприятиях машиностроения и металлообработки», «Экономика и управление на предприятиях пищевой промышленности» и др. по практическому изучению разделов курса общей физики: электричество, магнетизм, оптика; для подготовки и проведения лабораторных работ и контроля практической работы по указанным разделам. Для самостоятельной работы по изучению данных разделов в пособии приведен соответствующий теоретический материал, для проведения лабораторных работ – методические указания к каждой работе, предусмотрены вопросы для самоконтроля. По каждой теме приводится рекомендованная литература.

РАБОТА № 1

Элементы электрической цепи

Цель работы: изучение принципа действия и эксплуатационных характеристик основных элементов электрической цепи, правил сборки цепи, освоение порядка проведения электрических измерений и обработки результатов измерений.

Приборы и принадлежности: источник напряжения, потенциометр, нагрузочное сопротивление, вольтметр, амперметр, соединительные провода.

Краткая теория

Основными элементами любой электрической цепи являются: источник напряжения, нагрузочные сопротивления, электроизмерительные приборы, регулирующие элементы (реостаты, потенциометры и др.). Для выбора нужных приборов и сборки электрической цепи необходимо знать устройство и характеристики этих элементов.

В качестве источника напряжения используются как источники постоянного тока (напряжения), так и сеть переменного тока. В лаборатории физики к сети переменного тока подключен распределительный щит, на котором смонтированы выпрямители и трансформаторы. От распределительного щита напряжение подается на настольные щиты и далее с помощью соответствующих тумблеров для включения напряжений – постоянного (24 В и 75 В) и переменного (220 В) – в измерительную цепь.

Электроизмерительные приборы. Измерительным прибором называют устройство, служащее для сравнения измеряемой величины с единицей измерения. Измерительные приборы делятся на образцовые и рабочие. Образцовые приборы предназначены для воспроизведения и хранения единиц измерения и для поверки измерительных приборов. Рабочие приборы используются для практических измерений.

Электроизмерительные приборы классифицируются по следующим признакам:

• по принципу действия (системе электрического прибора);

• по виду измеряемой величины (амперметры, вольтметры и др.);

• по роду тока (приборы постоянного тока, переменного тока и приборы постоянного и переменного тока);

• по степени (классу) точности: 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 1; 1,5 и т.д.

На шкалу прибора наносятся символы, указывающие:

• род измеряемой величины (А, V);

• род тока: постоянный (–) или переменный (~);

• систему прибора: магнитоэлектрическую, электромагнитную, электродинамическую;

• рабочее положение прибора: вертикальное (,[ ), горизонтальное (, ⌐¬ );

• степень точности.

В настоящее время используется 12 систем электроизмерительных приборов, различающихся принципом действия. Наиболее распространены приборы электромагнитной, магнитоэлектрической и электродинамической систем с механической противодействующей силой.

Работа приборов магнитоэлектрической системы основана на вращающем действии магнитного поля постоянного магнита на легкую подвижную катушку (рамку) с током, помещенную между полюсами магнита. К рамке прикреплен указатель (стрелка), отклоняющийся при вращении рамки на угол, пропорциональный току в рамке. Ток к концам обмотки рамки подводится по спиральным пружинам, сделанным из немагнитного материала. Пружины одновременно предназначены и для оказания противодействия вращению рамки. Приборы данной системы применяются только для измерений в цепях постоянного тока. Для переменного тока приборы данной системы неприменимы, так как при периодическом измерении направления тока подвижная часть будет колебаться, а при большей частоте (в частности 50 Гц) вследствие инерции не будет успевать отклоняться, и стрелка прибора будет указывать на «0».

Принцип работы прибора электромагнитной системы основан на действии магнитного поля обмотки неподвижной катушки на подвижный сердечник из магнитного материала с указателем (стрелкой). При пропускании тока через катушку сердечник намагничивается и втягивается в щель катушки. При этом стрелка поворачивается на определенный угол. К стрелке подведена пружина, создающая противодействующий вращающий момент. Угол поворота стрелки в данном случае пропорционален квадрату силы тока, поэтому шкала прибора неравномерна. При изменении направления тока сердечник перемагничивается и снова втягивается в щель катушки. Следовательно, приборы данной системы можно применять и для переменного тока. К недостаткам прибора электромагнитной системы относят восприимчивость к внешним магнитным полям, неравномерность шкалы, меньшую по сравнению с приборами магнитоэлектрической системы точность.

Работа электродинамических приборов основана на взаимодействии магнитных полей двух катушек с током: неподвижной и подвижной. К подвижной катушке прикреплен указатель (стрелка) с противодействующей пружиной. Угол поворота указателя пропорционален произведению токов в обеих катушках. Шкала приборов данной системы также неравномерна, направления тока в обеих катушках меняется одновременно, что позволяет использовать данный прибор как для переменного, так и для постоянного тока. Для приборов электродинамической системы характерна высокая точность, поэтому их часто используют в качестве образцовых.

Цена деления, чувствительность и характеристики точности электроизмерительных приборов. Для осуществления измерений необходимо знать цену деления прибора. Ценой деления называется значение измеряемой величины, вызывающей отклонение указателя измерительного прибора на одно деление шкалы. Цену деления С определяют, разделив максимальное (предельное) значение измеряемой величины X_пред, которое можно определить данным прибором, на полное число делений шкалы N:

.(1.1)

Например, шкала миллиамперметра с пределом 50 мА, имеет 100 делений. Цена деления такого прибора мА/дел.

Очевидно, что значение измеряемой величины X, вызывающей отклонение указателя (стрелки) на n делений, равно произведению этого отклонения на цену деления:

. (1.2)

В нашем примере отклонение стрелки миллиамперметра на 60 делений, соответствует значению измеряемой силы тока I = 0,5х60=30 мА.

Величина δ, обратная цене деления, показывающая количество делений, приходящееся на единицу измеряемой величины, называется чувствительностью прибора:

. (1.3)

Чувствительность учитывается при подборе необходимых для данного эксперимента приборов.

Для электрических измерений обычно используются многопредельные приборы с одной шкалой. В этом случае каждому пределу измерения соответствует своя цена деления и чувствительность. Пределы указываются либо около находящегося на корпусе тумблера, служащего для изменения предела, либо около соответствующих клемм.

Характеристикой точности прибора является степень (класс) точности, с помощью которой оценивается погрешность измерения. Погрешность электрических измерений может быть обусловлена такими обстоятельствами, как, например, неточность подгона сопротивлений или неправильность нанесения штрихов на шкалу (систематическая погрешность), а также причинами нерегулярного характера: трением в опорах подвижной части, непостоянством переходных сопротивлений, контактов и т.д. (случайная погрешность). Степень точности прибора численно равна его приведенной относительной погрешности . Последняя является выраженным в процентах отношением абсолютной погрешностиХ обусловленной прибором, к предельному значению измеряемой величины Х_пред, которое может быть определено при данном пределе измерения:

. (1.4)

Являясь приведенной относительной погрешностью, степень точности позволяет определить наибольшую абсолютную погрешность любого измерения (в любой точке шкалы):

. (1.5)

Относительная погрешность данного измерения равна отношению абсолютной погрешности к найденному значению измеряемой величины:

. (1.6)

Регулирующие элементы электрической цепи

Шунты. Шунтом называется сопротивление , включаемое в цепь параллельно объекту (обычно амперметру) с целью уменьшения силы тока в нем.

Если необходимо измерить амперметром ток, в n раз больший максимально допустимого для данного прибора, то включают шунт с сопротивлением

, (1.7)

где , – сопротивление амперметра, – ток в цепи, – ток через амперметр.

Включением различных шунтов можно получить несколько пределов измерения на одном амперметре. В многопредельных приборах шунты монтируются в прибор, а включение их осуществляется поворотом тумблера переключения пределов.

Добавочное сопротивление. Добавочное сопротивление включается последовательно с объектом для уменьшения падения напряжения в нем, например, для расширения пределов измерения вольтметра. Если необходимо измерить вольтметром напряжение в n раз больше, чем позволяют его пределы, то включают добавочное сопротивление

, (1.8)

где – сопротивление вольтметра при заданном пределе,,– подводимое напряжение,– предельное напряжение на вольтметре.

Добавочные сопротивления, как и шунты, монтируются в вольтметрах для обеспечения возможности изменения пределов измерения.